Gescher, JohannesJohannesGescher1302114510000-0002-1625-8810Wurst, RenéRenéWurst2026-06-042026-06-042026Technische Universität Hamburg (2026)https://hdl.handle.net/11420/63326In bioelectrochemical systems (BES), the formation and architecture of biofilms are of crucial importance, especially in the context of flow-through applications. The interface between electroactive microorganisms and the electrode surface plays a pivotal role in determining the available surface area, which in turn influences energy generation. This is particularly relevant in organisms that form only weak anodic biofilms. To address this limitation, nanoparticles (NPs) with a magnetic iron core and a conductive, hydrophobic carbon shell were utilized as building blocks to create conductive, magnetic micropillars on the anode surface. The formation of this dynamic three-dimensional electrode architecture was monitored and quantified in situ using optical coherence tomography (OCT). Cyclic voltammetry revealed that the assembled three-dimensional anode extensions were electrically conductive and increased the available electroactive surface area. The NPs functioned as controllable carriers for the electroactive model organisms Shewanella oneidensis and Geobacter sulfurreducens, resulting in a fivefold increase in steady-state current density for S. oneidensis. This increase was further enhanced up to 22-fold when combined with poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) aggregates. In the case of G. sulfurreducens, the steady-state current density was not increased but was reached four times faster. Additionally, the biosynthesis of magnetic FeS-NPs by S. oneidensis was investigated to generate hybrid biofilms with optimized properties. The biogenic particles exhibited both magnetic and electroactive properties, enabling improved electrical coupling to the electrode without inducing cytotoxic effects. This study proposes a method for expanding the electrode surface in existing BES. This method is controllable, scalable, and easily applicable. It involves applying a magnetic field and adding conductive magnetic NPs. These findings are likely transferable to other electroactive microorganisms as well.In bioelektrochemischen Systemen (BES) sind Biofilmbildung und -architektur von entscheidender Bedeutung, insbesondere für Durchflussanwendungen. Die Grenzfläche zwischen elektroaktiven Mikroorganismen und der Elektrodenoberfläche spielt eine wichtige und oft begrenzende Rolle, da die verfügbare Oberfläche die Stromerzeugung beeinflusst, insbesondere bei Organismen, die nur schwache anodische Biofilmbildner sind. Um die Begrenzung der verfügbaren Elektrodenoberfläche zu überwinden, wurden Nanopartikel (NPs) mit einem magnetischen Eisenkern und einer leitfähigen, hydrophoben Kohlenstoffhülle als Bausteine verwendet. Damit sollten leitfähige, magnetische Mikrosäulen auf der Anodenoberfläche gebildet werden. Die Bildung dieser dynamischen dreidimensionalen Elektrodenarchitektur wurde in situ mittels optischer Kohärenztomographie (OCT) überwacht und quantifiziert. Durch Cyclovoltammetrie wurde festgestellt, dass die aufgebauten dreidimensionalen Anodenerweiterungen elektrisch leitfähig sind und die verfügbare elektroaktive Oberfläche vergrößern. Die NPs wurden als kontrollierbare Träger für die elektroaktiven Modellorganismen Shewanella oneidensis und Geobacter sulfurreducens verwendet, was zu einer 5-fachen Erhöhung der stationären Stromdichte für S. oneidensis führte, die in Kombination mit Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-Poly(styrolsulfonat)-Aggregaten (PEDOT:PSS) sogar um das 22-fache gesteigert werden konnte. Im Falle von G. sulfurreducens wurde die stationäre Stromdichte nicht erhöht, aber viermal schneller erreicht. Darüber hinaus wurde die Biosynthese magnetischer FeS-NPs durch S. oneidensis untersucht, um hybride Biofilme mit optimierten Eigenschaften zu erzeugen. Die biogenen Partikel zeigten sowohl magnetische als auch elektroaktive Eigenschaften und ermöglichten eine verbesserte elektrische Kopplung an die Elektrode, ohne cytotoxische Effekte hervorzurufen. Die Studie stellt eine kontrollierbare, skalierbare und einfach anzuwendende Methode zur Vergrößerung der Elektrodenoberfläche in bestehenden BES durch Anlegen eines Magnetfeldes und Zugabe leitfähiger magnetischer NPs vor. Diese Erkenntnisse lassen sich höchstwahrscheinlich auch auf andere elektroaktive Mikroorganismen übertragen.dehttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/BiofilmsMicrofluidicsBioelectrochemical SystemsExoelectrogensElectroactive MicroorganismsMagnetic NanoparticlesMicrobial ElectrolysisTechnology::660: Chemistry; Chemical EngineeringDoctoral Thesishttps://doi.org/10.15480/882.1724710.15480/882.17247Heins, Anna-LenaAnna-LenaHeins